eng
В статье описан способ диагностики состояния подшипников качения методом анализа спектра огибающей вибрационного сигнала. На основе анализа сделан вывод о возможности применения данного метода при диагностировании как единичных, так и множественных дефектов.
Подшипники качения — наиболее распространенные элементы конструкции разнообразных станков, машин и приборов. Безотказность и работоспособность подшипников качения напрямую зависит от их состояния. Одной из характерных особенностей в работе подшипников качения, например при резании, является то, что в ходе процесса они испытывают колебания [1–2], как вынужденные, так и независимые, снижающие производительность и точность.
Метод спектров огибающей применяется для диагностирования подшипников качения узлов роторных машин, в которых отсутствуют ударные нагрузки, а случайная вибрация обусловлена преимущественно силами трения качения. К таким узлам относятся шпиндели металлорежущих станков.
Испытания проводились на стенде [3–8]. Стенд имеет имитатор шпинделя на двух опорах. На шпинделе установлены два диска, которые создают необходимую нагрузку на подшипники. Шпиндель приводится во вращение с помощью электродвигателя через клиноременную передачу. Скорость вращения шпинделя фиксировалась с помощью лазерного датчика, луч которого отражался от метки, наклеенной на втулке шпинделя. В данном эксперименте скорость вращения шпинделя составляла 4200 об/мин. В опорах шпинделя устанавливались два радиально-упорных роликоподшипника 30205 марки «KG», которые имеют следующие технические данные:
диаметр отверстия внутреннего кольца 25 мм;
наружный диаметр внешнего кольца 52 мм;
ширина внешнего кольца 15 мм;
число роликов — 17 шт.
Подшипники устанавливались в опорах с преднатягом величиной 400 Н.
Для измерения вибрационных характеристик использовался прибор «Агат-М» (Россия), предназначенный для измерения параметров вибрации и числа оборотов, а также для спектрального анализа вибрационных сигналов с целью диагностики технического состояния технологических машин. Подключенные к прибору «Агат-М» два акселерометра были установлены на опорах шпинделя в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Показания прибора «Агат-М» напрямую передавались на компьютер, где оперативно обрабатывались с использованием программного обеспечения системы прогнозируемого обслуживания механического оборудования «Диамант 2», разработанного фирмой «Диамех 2000» (Россия). Программное обеспечение «Диамант 2» обеспечивает максимальную автоматизацию процессов проведения периодических обследований, ввода данных в базу данных ПК, их анализ, формирование различных протоколов и отчетных материалов и все основные функции управления базами данных.
Перед построением спектра огибающей в каждом испытании производилось построение прямого спектра виброускорения, и на основе его анализа выбирался частотный диапазон контролируемых составляющих вибрации. Чтобы обеспечить максимальную достоверность результатов диагностики, с помощью третьоктавного фильтра из прямого спектра выбиралась полоса частот, в которой отсутствовали гармонические составляющие, а спектральная плотность сигнала была однородной.
В процессе испытаний производилась запись спектра огибающих для подшипников качения, имеющих дефекты. Дефекты создавались искусственно путем формирования на поверхностях качения небольших углублений.
На рис. 1 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на ролике. Основная характерная частота равна 193 Гц, за которой следуют еще четыре гармоники на частотах 385, 579, 771 и 964 Гц. Амплитуды этих гармоник последовательно уменьшаются по своей величине.
На рис. 2 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на наружном кольце. За первой гармоникой на частоте 475 Гц следует вторая гармоника на частоте 951 Гц.
На рис. 3 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на внутреннем кольце. Виден пик на частоте 656 Гц.
Таким образом, метод огибающих позволяет с высокой точностью диагностировать дефекты, возникающие в подшипниках качения при их износе.
В эксплуатационной практике нередко встречается, что в деталях подшипника качения возникает несколько дефектов одновременно – например, на наружном кольце и ролике или на внутреннем кольце и ролике. Для выявления таких случаев были произведены испытания на подшипниках, имеющих различные сочетания дефектов (рис. 4–7).
На рис. 4 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на наружном кольце и на ролике. Хорошо различимы характерные частоты для ролика — 194 Гц и для наружного кольца — 475 Гц и их гармоники.
На рис. 5 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на внутреннем кольце и на ролике. В данном случае характерные частоты для ролика — 188 Гц и для внутреннего кольца — 658 Гц.
На рис. 6 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на внутреннем и наружном кольцах. Характерная частота для наружного кольца — 463 Гц и для внутреннего кольца — 659 Гц.
На рис. 7 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектами на всех трех деталях, а именно: на внутреннем, наружном кольцах и на ролике. Хорошо различимы характерная частота для наружного кольца — 475 Гц, для внутреннего кольца — 660 Гц и для ролика — 194 Гц.
ВЫВОДы
Таким образом, метод огибающих позволяет достаточно точно диагностировать наличие как единичных, так и множественных дефектов в подшипниках качения, что важно для их практического применения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Козочкин М.П. и др. Диагностика автоматизированного производства / Под. ред. С.Н. Григорьева. — М.: Машиностроение. 2011. С. 600.
2. Завгородний В.И., Козочкин М.П., Маслов АР., Сабиров Ф.С. Влияние динамических характеристик инструмента и заготовки на результаты виброакустического контроля процесса резания // СТИН. 2010. № 6. С. 13–17.
3. Юркевич В.В. Определение точности обработки на токарном станке // СТИН. 1999. № 4. С. 15–17.
4. Юркевич В.В. Система прогнозирования точности токарных станков // Вестник машиностроения. — 2001. № 8. С. 44–48.
5. Юркевич В.В. Податливость токарного станка мод.16К20П // Вестник машиностроения. 2002. № 8. С. 47–51.
6. Юркевич В.В. Контроль и диагностика процесса формообразования при обработке на токарных станках // Контроль. Диагностика. 2005. № 1. С. 45–50.
7. Юркевич В.В., Лушников П.В. Стендовые испытания динамических параметров шпинделя // Техника машиностроения. 2012. № 2. С. 2–9.
8. Юркевич В.В, Машков А.Ю, Дядищев М.А. Вибрационные испытания токарного станка ТВ7 // Техника машиностроения. 2010. № 3. С. 8–20.
Владимир Васильевич ЮРКЕВИЧ — кандидат технических наук,
доцент кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН»
Павел Владимирович ЛУШНИКОВ — инженер ОАО «Корпорация «Московский институт теплотехники»
Метод спектров огибающей применяется для диагностирования подшипников качения узлов роторных машин, в которых отсутствуют ударные нагрузки, а случайная вибрация обусловлена преимущественно силами трения качения. К таким узлам относятся шпиндели металлорежущих станков.
Испытания проводились на стенде [3–8]. Стенд имеет имитатор шпинделя на двух опорах. На шпинделе установлены два диска, которые создают необходимую нагрузку на подшипники. Шпиндель приводится во вращение с помощью электродвигателя через клиноременную передачу. Скорость вращения шпинделя фиксировалась с помощью лазерного датчика, луч которого отражался от метки, наклеенной на втулке шпинделя. В данном эксперименте скорость вращения шпинделя составляла 4200 об/мин. В опорах шпинделя устанавливались два радиально-упорных роликоподшипника 30205 марки «KG», которые имеют следующие технические данные:
диаметр отверстия внутреннего кольца 25 мм;
наружный диаметр внешнего кольца 52 мм;
ширина внешнего кольца 15 мм;
число роликов — 17 шт.
Подшипники устанавливались в опорах с преднатягом величиной 400 Н.
Для измерения вибрационных характеристик использовался прибор «Агат-М» (Россия), предназначенный для измерения параметров вибрации и числа оборотов, а также для спектрального анализа вибрационных сигналов с целью диагностики технического состояния технологических машин. Подключенные к прибору «Агат-М» два акселерометра были установлены на опорах шпинделя в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Показания прибора «Агат-М» напрямую передавались на компьютер, где оперативно обрабатывались с использованием программного обеспечения системы прогнозируемого обслуживания механического оборудования «Диамант 2», разработанного фирмой «Диамех 2000» (Россия). Программное обеспечение «Диамант 2» обеспечивает максимальную автоматизацию процессов проведения периодических обследований, ввода данных в базу данных ПК, их анализ, формирование различных протоколов и отчетных материалов и все основные функции управления базами данных.
Перед построением спектра огибающей в каждом испытании производилось построение прямого спектра виброускорения, и на основе его анализа выбирался частотный диапазон контролируемых составляющих вибрации. Чтобы обеспечить максимальную достоверность результатов диагностики, с помощью третьоктавного фильтра из прямого спектра выбиралась полоса частот, в которой отсутствовали гармонические составляющие, а спектральная плотность сигнала была однородной.
В процессе испытаний производилась запись спектра огибающих для подшипников качения, имеющих дефекты. Дефекты создавались искусственно путем формирования на поверхностях качения небольших углублений.
На рис. 1 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на ролике. Основная характерная частота равна 193 Гц, за которой следуют еще четыре гармоники на частотах 385, 579, 771 и 964 Гц. Амплитуды этих гармоник последовательно уменьшаются по своей величине.
На рис. 2 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на наружном кольце. За первой гармоникой на частоте 475 Гц следует вторая гармоника на частоте 951 Гц.
На рис. 3 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на внутреннем кольце. Виден пик на частоте 656 Гц.
Таким образом, метод огибающих позволяет с высокой точностью диагностировать дефекты, возникающие в подшипниках качения при их износе.
В эксплуатационной практике нередко встречается, что в деталях подшипника качения возникает несколько дефектов одновременно – например, на наружном кольце и ролике или на внутреннем кольце и ролике. Для выявления таких случаев были произведены испытания на подшипниках, имеющих различные сочетания дефектов (рис. 4–7).
На рис. 4 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на наружном кольце и на ролике. Хорошо различимы характерные частоты для ролика — 194 Гц и для наружного кольца — 475 Гц и их гармоники.
На рис. 5 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на внутреннем кольце и на ролике. В данном случае характерные частоты для ролика — 188 Гц и для внутреннего кольца — 658 Гц.
На рис. 6 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектом на внутреннем и наружном кольцах. Характерная частота для наружного кольца — 463 Гц и для внутреннего кольца — 659 Гц.
На рис. 7 представлен спектр огибающей для подшипника качения с дефектами на всех трех деталях, а именно: на внутреннем, наружном кольцах и на ролике. Хорошо различимы характерная частота для наружного кольца — 475 Гц, для внутреннего кольца — 660 Гц и для ролика — 194 Гц.
ВЫВОДы
Таким образом, метод огибающих позволяет достаточно точно диагностировать наличие как единичных, так и множественных дефектов в подшипниках качения, что важно для их практического применения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Козочкин М.П. и др. Диагностика автоматизированного производства / Под. ред. С.Н. Григорьева. — М.: Машиностроение. 2011. С. 600.
2. Завгородний В.И., Козочкин М.П., Маслов АР., Сабиров Ф.С. Влияние динамических характеристик инструмента и заготовки на результаты виброакустического контроля процесса резания // СТИН. 2010. № 6. С. 13–17.
3. Юркевич В.В. Определение точности обработки на токарном станке // СТИН. 1999. № 4. С. 15–17.
4. Юркевич В.В. Система прогнозирования точности токарных станков // Вестник машиностроения. — 2001. № 8. С. 44–48.
5. Юркевич В.В. Податливость токарного станка мод.16К20П // Вестник машиностроения. 2002. № 8. С. 47–51.
6. Юркевич В.В. Контроль и диагностика процесса формообразования при обработке на токарных станках // Контроль. Диагностика. 2005. № 1. С. 45–50.
7. Юркевич В.В., Лушников П.В. Стендовые испытания динамических параметров шпинделя // Техника машиностроения. 2012. № 2. С. 2–9.
8. Юркевич В.В, Машков А.Ю, Дядищев М.А. Вибрационные испытания токарного станка ТВ7 // Техника машиностроения. 2010. № 3. С. 8–20.
Владимир Васильевич ЮРКЕВИЧ — кандидат технических наук,
доцент кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН»
Павел Владимирович ЛУШНИКОВ — инженер ОАО «Корпорация «Московский институт теплотехники»
Отзывы читателей
